Modeling of drilling tool vibration in the process of drilling blast wells

Abstract

Purpose. To determine the characteristic features and model bit vibration during its interaction with rock in the process of drilling technical (blast) wells in open pit mines. Methodology. The following methods were used in the work: analysis of scientific and practical solutions; statistical methods for processing the results of experimental studies; methods of analytical synthesis; computer modeling methods for synthesis and analysis of mathematical models. Findings. The process of interaction between a drill bit and a rock was analyzed. The conditions and causes of vibration of drill ing equipment are determined. The spectral analysis of the vibration signal, the formation and analysis of the map of the order of rotation of the rotating parts of the drilling rig during the drilling of technical (blast) wells were performed to identify the bit in the frequency domain of the measured concomitant integrated vibration signal as a source of high-amplitude vibration. The modu lated signal measured in the time domain at the specified frequency carries information about the physical and mechanical char acteristics of the drilled rock and the state of the bit. The analysis of the experimental studies and modeling of the process of inter action of the bit with the rock allows us to conclude that the obtained statistical indicators of the accompanying vibration signal really adequately characterize the process of well drilling. Originality. A method for determining the characteristics of the interaction of a drill bit with rock in the process of drilling tech nical (blast) wells based on measuring the parameters of the accompanying vibration signal is proposed. The method differs from the known ones in the fact that in the process of changing the operating mode of the drive of the rotating parts of the drilling rig, an order map is formed over the entire range of its revolutions, the frequency of high-amplitude vibration of the bit is determined, which corresponds to a certain peak order of revolutions, and at this frequency the statistical parameters of changes are measured. Practical value. This approach to the process of drilling wells in open pit mines makes it possible to quickly determine the physical and mechanical characteristics of the drilled rock and adjust the process parameters accordingly to increase its productivity and energy saving.Мета. Визначення характеристичних ознак і моделювання вібрації долота при його взаємодії з гірською породою у процесі буріння технічних (вибухових) свердловин на відкритих гірничих виробках. Методика. У роботі використані такі методи: аналіз наукових і практичних рішень; статистичні методи для оброблення результатів експериментальних досліджень; методи аналітичного синтезу; методи комп’ютерного моделювання для синтезу та аналізу математичних моделей. Результати. Виконано аналіз процесу взаємодії бурового долота з гірською породою. Визначені умови та причини виникнення вібрацій бурового устаткування. Виконано спектральний аналіз вібраційного сигналу, формування та аналіз карти порядку обертів обертових частин бурової установки у процесі буріння технічних (вибухових) свердловин для ідентифікації долота у час тотній області вимірюваного супутнього інтегрованого вібраційного сигналу як джерела високоамплітудної вібрації. Виміряний у часовій області на зазначеній частоті модульований сигнал несе інформацію про фізико-механічні характеристики гірської породи, що буриться, і стан долота. Аналіз виконаних експериментальних досліджень і моделювання процесу взаємодії долота з гірською породою дозволяє зробити висновок про те, що отримані статистичні показники супутнього вібраційного сигналу дійсно адекватно характеризують процес буріння свердловин. Наукова новизна. Запропоновано метод визначення характеристик взаємодії долота бурової установки з гірською породою у процесі буріння технічних (вибухових) свердловин на основі вимірювання параметрів супутнього вібраційного сигналу. Метод відрізняється від відомих тим, що у процесі зміни робочого режиму приводу обертових частин бурової установки формують карту порядку в усьому діапазоні його обертів, визначають частоту високоамплітудної вібрації долота, яка відповідає визначеному піковому порядку обертів, і на цій частоті вимірюють статистичні параметри змін амплітуди виміряного сигналу. Практична значимість. Зазначений підхід до процесу буріння свердловин на відкритих гірничих виробках дозволяє оперативно визначати фізико-механічні характеристики гірської породи, що буриться, і відповідним чином корегувати параметри процесу для підвищення його продуктивності та енергозбереження.